125

   Для пространства-времени имеются два многобещающих направления поисков элементарных составляющих. Одно предложение вытекает из теории струн, а другое из теории, известной как петлевая квантовая гравитация. 
   Предложение теории струн, в зависимости от того, насколько напряженно вы о нем думали, представляется или интуитивно привлекательным, или совершенно непостижимым. Поскольку мы говорим о "ткани" пространства-времени, предложение заключается в том, что, может быть, пространство-время сшито из струн точно так же, как рубашка сшита из нитей. Это означает, почти как подходящим образом объединенное вместе большое количество нитей производит ткань рубашки, может быть, подходящим образом объединенное вместе большое количество струн производит то, что мы обычно называем тканью пространства-времени. Материя, вроде вас и меня, тогда будет означать дополнительные агломерации вибрирующих струн, – как звонкая музыка, играющая поверх приглушенного шума, или искусно сделанный узор, вышитый на ровном куске материала, – движущихся внутри среды сшитых вместе струн пространства-времени. 
   Я нахожу это заманчивым и убедительным предложением, но на данный момент никто не превратил эти слова в точное математическое построение. Насколько я могу судить, препятствия к тому, чтобы сделать это, далеко не мелкие. Например, если ваша рубашка полностью распускается, вы остаетесь с кучей нитей – в результате, в зависимости от обстоятельств, вы можете найти это смущающим или вызывающим раздражение, хотя, вероятно, не сильно удивительным. Но совершенно изматывает разум (мой разум, по меньшей мере) размышление об аналогичной ситуации со струнами – нитями пространства-времени в этом предложении. Что мы должны понимать под "кучей" струн, которые выпутались из ткани пространства-времени, или, вероятно, более правильно, еще даже не объединились вместе, чтобы произвести ткань пространства-времени? Может существовать соблазн думать о них, почти как мы это делаем о нитях рубашки, – как о сыром материале, который нужно сплести вместе, – но это замалчивает абсолютно необходимую тонкость. Мы рисуем струны как колеблющиеся в пространстве и через время, но вне ткани пространства-времени, которую создают сами струны через их упорядоченное объединение, нет ни пространства, ни времени. В этом предложении концепции пространства и времени теряют смысл до того, как бесчисленные струны не сплетутся вместе, чтобы произвести их. 
   Таким образом, чтобы придать смысл этому предложению, нам нужна схема для описания струн, которая не предполагает с самого начала, что они колеблются в заранее существовавшем пространстве-времени. Нам нужна формулировка теории струн полностью без пространства и без времени, в которой пространство-время возникает из коллективного поведения струн. 
   Хотя имелся прогресс в направлении этой цели, никто еще не подошел к такой формулировке теории струн без пространства и без времени – к тому, что физики называют независимой от фона формулировкой (термин возникает из общего понятия пространства-времени как заднего плана, фона по отношению к имеющим место физическим явлениям). Вместо этого, по существу, все подходы воображают струны как движущиеся и колеблющиеся сквозь пространство-время, которое вводится в теорию "руками"; пространство-время не возникает из теории, как это будет по представлениям физиков в независимой от фона схеме, а добавляется в теорию теоретиком. Многие исследователи рассматривают разработку независимой от фона формулировки как единственную величайшую нерешенную проблему, стоящую перед теорией струн. Она не только должна дать ответ на вопрос происхождения пространства-времени, но независимая от фона схема должна, вероятно, стать инструментом в решении главной загвоздки, с которой мы столкнулись в конце Главы 12, – неспособности текущей теории выбрать геометрическую форму дополнительных измерений. Раз уж ее математический формализм отцепляется от любого особого пространства-времени, появляется основание полагать, что теория струн будет способна исследовать все возможности и, вероятно, рассудить, какая среди них годится. 
   Другая трудность, стоящая перед предложением рассматривать струны как нити пространства-времени, в том, как мы изучили в Главе 13, что теория струн имеет и другие ингредиенты, кроме струн. Какую роль эти другие компоненты должны играть в фундаментальной структуре пространства-времени? Этот вопрос вводится в особенно острой форме сценарием мира на бране. Если трехмерное пространство, которое мы ощущаем, является 3-браной, является ли сама брана неделимой на части или она сделана из объединения других ингредиентов теории? Например, сделаны ли браны из струн или как струны, так и браны являются элементарными? Или мы должны рассматривать еще и другую возможность, что браны и струны могут быть сделаны из некоторых еще более тонких ингредиентов? Эти вопросы стоят на переднем фронте исследований сегодняшнего дня, но, поскольку эта последняя глава посвящена подсказкам и путеводным нитям, позвольте мне отметить один важный результат, который привлек большое внимание. 
   Ранее мы говорили о различных бранах, имеющихся в теории струн/М-теории: 1-браны, 2-браны, 3-браны, 4-браны и так далее. Хотя я не акцентировал на этом внимание раньше, в теории имеются также 0-браны – ингредиенты, которые не имеют пространственного протяжения, почти как точечные частицы. Это может показаться противоречащим самому духу теории струн/М-теории, которая удаляется от схемы с точечными частицами в попытке приручения диких шероховатостей квантовой гравитации. Однако, 0-браны, точно так же, как их более многомерные родственницы на Рис. 13.2, появляются с присоединенными струнами, буквально, а потому их взаимодействия управляются струнами. Тогда не удивительно, что 0-браны ведут себя совершенно не похоже на общепринятые точечные частицы, и, что самое важное, они полностью принимают участие в рассеивании и уменьшении ультрамикроскопических дрожаний пространства-времени; 0-браны не вводят заново фатальный порок, беспокоящий схемы с точечными частицами, которые пытаются соединить квантовую механику и ОТО. 
   Фактически, Том Бэнкс из Ратгерсовского Университета и Вилли Фишлер из Университета Техаса в Остине вместе с Леонардом Сасскайндом и Стивеном Шенкером, оба ныне из Стэнфорда, сформулировали версию теории струн/М-теории, в которой 0-браны являются фундаментальными ингредиентами, которые могут быть объединены, чтобы сгенерировать струны и другие, более высокоразмерные браны. Это предложение, известное как Матричная теория – еще одно возможное значение для "М" в "М-теории" – вызвало лавину последующих исследований, но связанная с ней тяжелая математика до сих пор не давала ученым привести этот подход к завершенному виду. Тем не менее, расчеты, которые физики смогли провести в этой схеме, кажется, поддерживают это предложение. Если Матричная теория верна, это может означать, что все сущее – струны, браны и, возможно, даже сами пространство и время – составлены из подходящим образом собранных 0-бран. Это волнующий план и исследователи проявляют осторожный оптимизм, надеясь, что прогресс в течение следующих нескольких лет прольет больше света на его обоснованность. 
   До сих пор мы рассматривали путь, которым следуют струнные теоретики в поисках составляющих пространства-времени, но, как я отмечал, имеется второй путь, происходящий от главного соперника теории струн, петлевой квантовой гравитации. Петлевая квантовая гравитация берет начало с середины 1980х и является другим многообещающим предложением по соединению ОТО и квантовой механики. Я не хочу пытаться дать детальное описание (если вам интересно, обратите внимание на превосходную книгу Ли Смолина Tree Roads to Quantum Gravity (Три дороги к квантовой гравитации, см. Советы для дальнейшего чтения)), а вместо этого отмечу несколько ключевых моментов, которые особенно показательны для нашего текущего обсуждения. 
   Как теория струн, так и петлевая квантовая гравитация утверждают, что достигли давно стоящей цели обеспечения квантовой теории гравитации, но они делают это совершенно разными способами. Теория струн выросла из успешной традиции физики частиц, которая десятилетиями искала элементарные составляющие материи; для самых ранних струнных исследователей гравитация была отдаленным, в лучшем случае, вторичным интересом. В отличие от этого, петлевая квантовая гравитация выросла из традиции, тесно основывающейся на ОТО; для большинства последователей этого подхода гравитация всегда была главным объектом внимания. Сравнение в одну фразу будет таково, что струнные теоретики стартовали от малого (квантовая теория) и двигались к охвату большого (гравитация), тогда как приверженцы петлевой квантовой гравитации стартовали от большого (гравитация) и двигались к охвату малого (квантовая теория).^[9] Фактически, как мы говорили в Главе 12, теория струн изначально была разработана как квантовая теория сильного ядерного взаимодействия, действующего внутри атомных ядер; и только позже было по счастливому случаю осознано, что теория на самом деле включает гравитацию. Петлевая квантовая гравитация, с другой стороны, взяла ОТО Эйнштейна как отправную точку и стремилась включить в себя квантовую механику. 
   Этот старт с противоположных концов спектра отразился в путях, которыми две теории разрабатывались до сих пор. В некоторой степени главные достижения каждой оказывались неудачами другой. Например, теория струн соединила все силы и всю материю, включая гравитацию (полное объединение, которое ускользает от петлевого подхода), путем описания всего на языке колеблющихся струн. Частица гравитации, гравитон, является лишь одной особой модой колебаний струны, а потому теория естественным образом описывает, как эти простейшие пучки гравитации двигаются и квантовомеханически взаимодействуют. Однако, как только что отмечалось, главная неудача сегодняшних формулировок теории струн в том, что они заранее предполагают фоновое пространство-время, внутри которого струны двигаются и колеблются. В отличие от этого, главное достижение петлевой квантовой гравитации – впечатляющее достижение – заключается в том, что она не предполагает фонового пространства-времени. Петлевая квантовая гравитация является независимой от фона схемой. Однако, удаление обычного пространства и времени, точно так же, как привычных и успешных свойств ОТО, когда она применяется к большим масштабам расстояний (что легче сделать в сегодняшних формулировках теории струн), из этой экстраординарно непривычной стартовой точки без пространства и без времени является далеко не тривиальной проблемой, которую исследователи все еще пытаются решить. Более того, по сравнению с теорией струн, петлевая квантовая гравитация достигла намного меньшего прогресса в понимании динамики гравитонов. Одна гармонизирующая возможность заключается в том, что струнные энтузиасты и приверженцы петлевой квантовой гравитации на самом деле конструируют одну и ту же теорию, но из чрезвычайно различных стартовых точек. То, что каждая теория содержит петли, – в теории струн это петли струн; в петлевой квантовой гравитации их тяжелее описать нематематически, но, грубо говоря, они представляют собой элементарные петли пространства, – наводит на мысль, что тут может быть некоторая связь. Эта возможность еще больше поддерживается фактом, что на нескольких проблемах, доступных обеим теориям, таких как энтропия черных дыр, две теории полностью согласуются.^[10] И по вопросу о составляющих пространства-времени обе теории предполагают, что имеется некоторая разновидность атомистической структуры. Мы уже видели подсказки-намеки в направлении этого заключения, которые появляются из теории струн; аналогичные намеки из петлевой квантовой гравитации убедительны и даже более явны. Петлевые исследователи показали, что многочисленные петли в петлевой квантовой гравитации могут переплетаться, слегка подобно тонким петлям шерсти, ввязанным в свитер, и производить структуры, которые на больших масштабах кажутся почти соответствующими областям пространства-времени. Самое убедительное из всего, петлевые исследователи рассчитали допустимые площади таких поверхностей пространства.